毕业设计（论文）-麦弗逊悬架创新设计及有限元分析

大学学士学位论文PAGE1摘要如果悬架系统出了问题，势必会对车身结构的安全性，汽车行驶的稳定可靠性和乘客乘坐舒适性造成重要的影响。悬架系统可以在车轮（或车桥）和车身（或车架）之间起到一个桥梁纽带的作用，能够将它们两个部分连接成为一体,并且该连接是弹性连接。当汽车在颠簸路面上行驶时，汽车悬架能够缓冲汽车产生的震动，并且能使该震动迅速减弱消失。悬架系统还可以在车轮（或车桥）和车身（或车架）传递汽车行驶过程中受到的各种情况复杂的并且随时进行变化的力和力矩。由此可见悬架质量的好坏对整车结构的安全性，汽车行驶平顺性和乘客乘坐舒适性都有着很大影响，对其进行深入探讨研究有十分重要的意义。为了对汽车悬架进行深入探讨研究，本人选定了2019款铃木北极星微型轿车悬架系统作为研究对象，首先对其悬架种类进行选型分析，确定了其选用麦弗逊式独立悬架的合理性。然后针对该车原有悬架系统的不足之处进行创新，设计了新的悬架系统。接着对设计的新型麦弗逊悬架的零部件进行参数设计和catia软件三维建模，最后对重要的零件如螺旋弹簧，减振器和导向机构分别进行有限元分析，以保证设计的新型麦弗逊悬架的强度符合要求。关键词：独立悬架；麦弗逊式；减振器；螺旋弹簧AbstractIfthereisaproblemwiththesuspensionsystem,itwillinevitablyhaveanimportantimpactonthesafetyofthebodystructure,thestabilityandreliabilityofthecardrivingandthepassengercomfort.Thesuspensionsystemcanactasabridgelinkbetweenthewheel(oraxle)andthebody(orframe),andcanconnectthetwopartsintoawhole,andtheconnectioniselastic.Whenthecarisrunningonthebumpyroad,thesuspensionofthecarcanbufferthevibrationproducedbythecar,andmakethevibrationweakenanddisappearrapidly.Thesuspensionsystemcanalsotransmitallkindsofforcesandmomentsonwheels(oraxles)andbody(orframe)duringdriving.Itcanbeseenthatthequalityofsuspensionhasagreatimpactonthesafetyofvehiclestructure,vehicleridecomfortandpassengercomfort,soitisofgreatsignificancetostudyitindepth.Inordertocarryoutin-depthresearchontheautomobilesuspension,Iselected2019SuzukiPolarisminicarsuspensionsystemastheresearchobject.First,IanalyzedthesuspensiontypesanddeterminedtherationalityofitschoiceofMcPhersonindependentsuspension.Then,inviewoftheshortcomingsofMcPhersonsuspension,thesuspensionsystemisimprovedandinnovated,andanewMcPhersonsuspensionisdesigned.ThentheparametricdesignandCATIAsoftwarethree-dimensionalmodelingarecarriedoutforthepartsofthenewMcPhersonsuspension.Finally,thefiniteelementanalysisiscarriedoutfortheimportantpartssuchascoilspring,shockabsorberandguidemechanismrespectivelytoensurethatthestrengthofthenewMcPhersonsuspensionmeetstherequirements.Keywords:independentsuspension;McPhersontype;shockabsorber;spiralspring

目录TOC\o"1-3"\h\u5689摘要 131202Abstract 231121绪论 415421.1课题背景和意义 433361.2悬架的发展历史和现状 67301.3悬架的发展趋势 8318362悬架结构方案分析 977212.1悬架总成选型分析 9113152.1.1悬架总成分析与设计要求 931872.1.2非独立悬架优缺点分析 11242062.1.3独立悬架优缺点分析 1166152.2独立悬架类型选型分析 12298562.2.1独立悬架选型要求 1266662.2.2麦弗逊悬架结构特点及优缺点分析 13136722.2.3双横臂式悬架结构及优缺点分析 14311452.3麦弗逊悬架的创新 15323273麦弗逊悬架主要参数设计及建模 16325083.1悬架的弹性特性设计 1623413.2悬架挠度fc的设计 17240643.2.1悬架静挠度fc的设计 17319613.2.2悬架动挠度fd设计 1886383.3悬架弹性元件设计 19250093.3.1螺旋弹簧分析 19156543.3.2螺旋弹簧的材料及许用应力选择 1990313.3.3弹簧参数的计算选择 20266453.6.4计算空载刚度 20210063.3.5计算满载刚度 20207763.3.6按满载计算弹簧钢丝直径 20108123.3.7螺旋弹簧校核 21131933.3.8小结 22212383.3.9螺旋弹簧建模过程 2361163.4导向机构设计 2581703.4.1导向机构的设计要求 255353.4.2导向机构的布置参数 26124823.4.3导向机构建模 2864983.5减振器的设计 30258663.5.1减振器的简单分类 3018303.5.2相对阻尼系数ψ 3142343.5.3减振器阻尼系数δ的确定 32267283.5.4减振器工作缸直径D的确定 32315183.5.5小结 33206683.5.6减振器建模 33206223.6横向稳定器 3644243.6.1横向稳定器介绍 3620423.6.2横向稳定器建模 36196983.7推力杆 37183883.7.1推力杆介绍 37273893.7.2推力杆建模 38129304前轮定位参数 39173174.1主销后倾角 39105154.2主销内倾角 40323744.3前轮外倾角 42155414.4前轮前束 4362555麦弗逊悬架其他零件基于CATIA的建模 4432805.1车轮的建模 44307705.2车轮轴承建模 44324915.3转向节建模 45268375.4减振器与转向节连接件建模 46263115.5车架和横向稳定器联合建模 46225415.6新增控制臂建模 47103305.6麦弗逊悬架建模装配图 47232346麦弗逊悬架有限元分析 49272766.1螺旋弹簧有限元分析 49266206.2减振器有限元分析 51279586.2导向机构有限元分析 5317324结束语 562314参考文献 57

1绪论1.1课题背景和意义从2020年春节开始，由于受到新型冠状病毒肺炎疫情的影响，全球汽车产销企业进入资本寒冬，汽车产量和销量均大幅下降。2020年4月，随着新型冠状病毒肺炎疫情防控取得阶段性成效，汽车企业加快复工复产，生产经营有序恢复，汽车市场逐步回暖，但产销整体仍处于较低水平。新型冠状病毒肺炎疫情会对中小型汽车产销企业造成致命的打击，许多小型汽车产销企业纷纷破产倒闭，惨遭淘汰，而大型汽车产销企业在经受考验之后将会迎来复苏，直到2024年中国汽车市场将开启新一轮繁荣。在如此严峻的背景下，更应该重视汽车零部件的生产研发，针对汽车悬架的问题研究就是其中的重点。欧美发达国家对汽车悬架的研究起步较早，悬架生产技术也较为成熟，尤其是针对高端车型主动悬架和可变悬架的科研技术仍然处于世界领先地位。而我国对汽车悬架的研究起步较晚，新中国成立之后才开始建立自己的汽车加工制造厂，90年代之前生产车型多为仿造苏联车型，并没有自己关于汽车悬架的专利技术，只能生产传统的被动悬架。90年代之后，欧美发达汽车企业纷纷来华投资建厂，建立了一汽大众，华晨宝马等等合资汽车工厂，为我国汽车悬架生产研发带来了新的技术。现阶段我国针对新型主动悬架和可变悬架的研究虽然有了一定的进展，但是由于技术水平和市场需求的限制，我国汽车企业生产的主要车型仍然选用传统的被动悬架。同国外汽车产业相比，我国汽车产业虽然起步较晚，但是近几年随着吉利、长城哈佛和北汽新能源等民族汽车品牌的崛起，汽车悬架生产水平也得到了蓬勃发展，与发达国家汽车悬架的生产水平差距正在逐渐减小，价格上我国生产的汽车悬架也比国外生产的汽车悬架有所优势。而国外的汽车企业比如宝马、大众和奔驰等等由于采用了更先进的生产工艺，生产出的汽车悬架在精度上比国产汽车悬架要高，使用寿命也比国产汽车悬架要长。如果悬架系统出了问题，势必会对车身结构的安全性，汽车行驶的稳定可靠性和乘客乘坐舒适性造成重要的影响[1]。悬架系统的作用如下：1.悬架系统可以在车轮（或车桥）和车身（或车架）之间起到一个桥梁纽带的作用，能够将它们两个部分连接成为一体,并且该连接是弹性连接。即悬架可以产生弹性形变，使车轮与车身之间产生相对位置变化，并且在汽车悬架形变过程中可以吸收震动能量，保证车身结构不会受到破坏。2.当汽车在颠簸路面上行驶时，汽车悬架能够缓冲汽车产生的震动，并且能使该震动迅速减弱消失。这不但保证了汽车行驶过程中平稳顺畅，而且保证了车内人员不会产生不适和疲劳，车内物品不会受到破坏。因此通过悬架的这一作用，汽车行驶的平顺性和乘客乘坐的舒适性都大幅度提升。3.悬架系统可以在车轮（或车桥）和车身（或车架）之间传递汽车行驶过程中受到的各种情况复杂的并且随时进行变化的力和力矩。汽车在行驶过程中会受到自身的重力，路面的支持力，车身之间相互的横向、纵向以及竖直方向的作用力，路面的摩擦力以及它们的力矩的作用，受力情况十分复杂，这些力和力矩都是通过汽车悬架在车轮（或车桥）和车身（或车架）之间相互传递的。由此可见悬架质量的好坏对整车结构的安全性，汽车行驶平顺性和乘客乘坐舒适性都有着很大影响，对其进行深入探讨研究有十分重要的意义。为了对汽车悬架进行深入探讨研究，本人选定了2019款铃木北极星微型轿车悬架系统作为研究对象，首先对其悬架种类进行选型分析，确定了其选用麦弗逊式独立悬架的合理性。然后针对该车悬架系统的不足之处进行改进创新，设计了新的悬架系统。接着对设计的新型麦弗逊悬架的零部件进行参数设计和catia软件三维建模，最后对重要的零件如螺旋弹簧，减振器和导向机构分别进行有限元分析，以保证设计的新型麦弗逊悬架的强度符合要求。通过对汽车悬架系统进行设计，可以充分应用大学四年所学的汽车设计与机械设计相关知识内容，还能通过不断练习建模更熟练地掌握catia三维设计软件。这既对大学所学知识内容做了一个良好的总结，对汽车构造有了更深层次的认识，也为以后的工作实习打下了良好的基础，这就是本次2019款铃木北斗星微型轿车悬架系统设计的目的。1.2悬架的发展历史和现状从世界上第一台汽车被发明以来，汽车已经有了100多年的发展历史，但是悬架的发展历史甚至比汽车还要悠久，主要有以下几个阶段：1.叶片弹簧阶段（20时间30年代之前）早在汽车被发明之前，汽车的前身——马车就已经拥有悬架系统了。当时的人们在乘坐马车的时候为了克服路面颠簸，能够舒适地乘坐马车，在马车上使用了叶片弹簧（即钢板弹簧）悬架。在汽车刚刚诞生的时候，依旧使用原来马车所用的叶片弹簧悬架。叶片弹簧具有结构简单，造价低廉，牢固耐用，不易损坏，使用寿命长的优点，但是叶片弹簧减震能力差，人们在乘坐时仍会感受到较大的颠簸感，乘坐舒适性无法满足，已经被乘用车所淘汰，如今仅在大型商用车上使用。2.螺旋弹簧等被动悬架阶段（20世纪30年代——80年代）随着机械加工制造工艺水平的发展，人们发现同叶片式的钢板弹簧相比，可伸缩的螺旋弹簧对震动能量的吸收性能更好，因此螺旋弹簧比叶片弹簧减震性能更好，人们乘坐时更加舒适，汽车行驶起来也更加平顺。1930年以后，新型的螺旋弹簧逐渐取代了老式的叶片弹簧。并且在螺旋弹簧的基础上，又细分出了多种类型。根据汽车左右两侧车轮与车架的连接性质，汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架两大类。非独立悬架汽车的车轴是一个整体，汽车左右两侧车轮与这个整体的车轴刚性地连接在一起的。而独立悬架汽车的车轴分为左右两个独立的部分，汽车左右两侧车轮分别与这两个独立的悬架相连接独立悬架也有多种类型，例如麦弗逊式独立悬架，单横臂式独立悬架，双横臂式独立悬架，单纵臂式独立悬架，双纵臂式独立悬架和扭转梁式独立悬架等几种类型。不同种类的车型可以根据实际使用情况，选用不同类型的独立悬架。虽然后来又相继出现了扭杆弹簧和气体弹簧等多种新型弹簧，汽车前悬架仍然主要使用螺旋弹簧作为弹性元件。3.主动悬架阶段（20时间80年代至今）虽然螺旋弹簧相对于叶片弹簧减震能力更好，人们乘坐时更加舒适，但螺旋弹簧和钢板弹簧一样在车辆行驶的过程中都是固定不变的，不能随着不同路况主动调整弹簧刚度和阻尼大小，都属于被动悬架。为了让汽车悬架能够适应各种复杂的路况，随时调整悬架刚度和阻尼大小，时刻保持最佳的运动状态和燃油经济性，主动悬架应运而生。但是该种悬架生产制造成本较高，仅在高端车型中使用，至今仍未大规模普及使用。虽然主动悬架已经有了30多年的发展历史，技术相对完善成熟，但是由于其高昂的造价无法适应普通人的需求。因此现阶段国内外的大部分车型仍然使用被动悬架，仅在高端车型上使用主动悬架。欧美发达国家对汽车悬架的研究起步较早，生产技术也较为成熟，尤其是针对高端车型主动悬架和可变悬架的技术仍然处于世界领先地位。而现阶段我国针对新型主动悬架和可变悬架的研究虽然有了一定的进展，但是由于技术水平和市场需求的限制，我国汽车企业生产的主要车型仍然是选用传统的被动悬架。同国外汽车企业相比，我国汽车产业虽然起步较晚，但是近几年随着吉利、长城和北汽新能源等民族汽车品牌的崛起，汽车悬架生产水平也得到了蓬勃发展，与发达国家汽车悬架的生产水平差距正在逐渐减小，价格上我国生产的汽车悬架也比国外生产的汽车悬架有所优势。而国外的汽车企业比如宝马、大众和奔驰等等由于采用了更先进的生产工艺，生产出的汽车悬架在精度上比国产汽车悬架要高，使用寿命也比国产汽车悬架要长。1.3悬架的发展趋势随着科学技术水平的不断发展和机械加工工艺的不断创新，汽车悬架在发展过程中有如下趋势：(1)被动悬架向主动悬架发展：主动悬架能够适应各种复杂的路况，随时调整悬架刚度和阻尼大小，保持最佳的运动状态和燃油经济性。但是目前主动悬架生产制造成本昂贵，随着生产技术的成熟在未来或许生产制造成本会大幅度降价，可适用于大批量生产使用，拥有主动悬架的汽车会逐渐普及。（2）汽车悬架体积和质量越来越小，结构越来越紧凑：体积小质量轻的悬架不仅大大减轻了汽车整备质量，降低了油耗，而且增加了汽车行驶的平稳性和经济性。同时悬架检查和维修也更加方便，如果悬架发生故障无需对损坏零部件进行维修，直接拆卸损坏部件换新即可，大大提高了检修效率。（3）汽车悬架使用材料越来越先进：例如新型沃尔沃的悬架，采用一种横向纤维增强复合材料叶片弹簧代替了传统的螺旋弹簧。这一创新带来的好处是：新型叶片弹簧仅重3kg，比传统弹簧轻了约4.5kg；降低了汽车振动，改善了NVH（噪声、振动和颠簸）性能；去掉了悬架的弹簧，令后备箱空间更大。（4）汽车悬架内加入更多传感器和执行器：这些传感器和执行器配合行车电脑ECU和车联网可以使汽车更加智能化，能根据路况自动调整汽车底盘高度，或者调整悬架的阻尼大小和刚度，甚至实现人工智能和自动驾驶功能。（5）固定悬架向可变悬架发展：例如跑车由于底盘较低在经过减速带或不平坦路面时容易刮伤底盘，因此采用可变悬架，通过空气弹簧可以根据路况随时调整悬架伸缩高度，从而调整底盘高度。在经过减速带或不平坦路面时可以升高底盘防止底盘受到伤害，而在跑道上行驶时又可以通过降低底盘来获得更低的重心，以提高高速行驶的稳定性。（6）非独立悬架向独立悬架发展：小型乘用车辆的主要用途是接送人员，应首先考虑乘客乘坐的舒适性，汽车行驶的稳定性，然后再考虑生产成本和耐用程度使用寿命等问题，因此应该选用独立悬架。2悬架结构方案分析为了对汽车悬架进行深入探讨研究，本人选定了2019款铃木北斗星微型汽车悬架系统作为研究对象。该车售价仅为5万元左右，虽然价格低廉但是在同价位中的空间是比较大的。同时该车配备1.4L发动机，虽然排量小但是动力表现还可以，车身结构结实比较耐用，油耗也比较低，百公里仅仅使用4个油。并且该车尺寸小巧，停车方便，适合对汽车性能要求不高的人上下班代步使用。通过上网查阅该车相关资料可得，2019款铃木北斗星微型汽车的部分参数列表如下：表2.1原始参数原始参数名称数据（mm）长*宽*高3400*1575*1670轴距2335前轮距1360满载质量1250（kg）空载质量900（kg）前悬挂类型独立麦弗逊式2.1悬架总成选型分析2.1.1悬架总成分析与设计要求如果悬架系统出了问题，势必会对车身结构的安全性，汽车行驶的稳定可靠性和乘客乘坐舒适性造成重要的影响。悬架系统可以在车轮（或车桥）和车身（或车架）之间起到一个桥梁纽带的作用，能够将它们两个部分连接成为一体,并且该连接是弹性连接。当汽车在颠簸路面上行驶时，汽车悬架能够缓冲汽车产生的震动，并且能使该震动迅速减弱消失。悬架系统还可以在车轮（或车桥）和车身（或车架）传递汽车行驶过程中受到的各种力和力矩。汽车悬架结构一般包括：弹性元件（弹簧）、减震器和有导向作用的各种连杆。弹簧的作用就是吸收来自于地面的冲击，减震的作用就是吸收弹簧的回弹力，而所有连杆和摆臂用来传递车轮收到的力，并且能够控制车轮上下左右的摆动幅度，让车轮按照既定的轨迹运动，而不会偏离方向。设计汽车悬架首先要明确悬架的设计要求，对汽车悬架的设计要求有[2]：能够保证汽车行驶过程中车身结构稳定，不会受到冲击力破坏。能够保证汽车行驶平顺性，汽车车身在行驶过程中不会有过大起伏。能够保证乘客乘坐舒适性，不会产生疲倦和晕车症状。体积小，质量轻，结构紧凑，噪音小。要有一定的强度和韧性，不易受到损坏，使用寿命长。明确了悬架的设计要求，就要根据设计要求选定悬架总成的类型，根据汽车左右两侧车轮与车架的连接性质，汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架两大类[6]。如图2.1a所示，非独立悬架汽车的车轴是一个整体，汽车左右两侧车轮与这个整体的车轴刚性地连接在一起的。如果汽车一侧车轮遇到障碍物时，非独立悬架车型的另一侧车轮也会受到震动，汽车的平稳性和舒适性大大降低。但是该种悬架结构简单，造价低廉，不容易产生损坏，一般适用于部分乘用车的后悬架和商用车[17]。如图2.1b所示，独立悬架汽车的车轴分为左右两个独立的部分，汽车左右两侧车轮分别与这两个独立的悬架相连接。如果汽车一侧车轮遇到障碍物时，非独立悬架车型的另一侧车轮也会受到震动，汽车的平稳性和舒适性大大增加。但是该种悬架结构复杂，造价昂贵，容易产生损坏，一般使用于小型乘用车。图2.1非独立悬架a与独立悬架b2.1.2非独立悬架优缺点分析非独立悬架汽车的车轴是一个整体，汽车左右两侧车轮是通过这个整体的车轴刚性地连接在一起的,下面针对非独立悬架的优缺点进行分析。非独立悬架的优点是：结构简单，造价低廉，不容易产生损坏非独立悬架的缺点是：1.如果汽车一侧车轮遇到障碍物时，不仅该侧车轮会受到振动，同时汽车的另一侧车轮也会受到震动。2.由于车轴为一根整体车轴，刚度较大，行驶平顺性不好。3.悬架重量相对较重。4.悬架体积相对较大。5.发动机位置相对较高，即汽车重心位置相对较高，汽车转向时车身会发生左右摇摆。6.非独立悬架种类单一，不能因地制宜地适应各种设计方案。根据非独立悬架的优点和缺点可以进行判断，非独立悬架一般适用于部分乘用车的后悬架和商用车。2.1.3独立悬架优缺点分析独立悬架汽车的车轴分为左右两个独立的部分，汽车左右两侧车轮分别与这两个独立的悬架相连接，下面针对独立悬架的优缺点进行分析。独立悬架的优点是：1.悬架重量相对较轻；2.悬架体积相对较小；3.车轴为断开的两部分，刚度较小，行驶平顺性大大增强；4.发动机位置相对较低，即汽车重心位置相对较低，汽车转向时车身不会发生左右摇摆。5.如果汽车一侧车轮遇到障碍物时，仅有该侧车轮会受到振动，而汽车的另一侧车轮不会受到震动。6.独立悬架种类较多，可以因地制宜地选用不同类型的设计方案。独立悬架的缺点是：和非独立悬架比较起来结构更加复杂，生产制造成本较高，使用寿命较低，维修比较困难。根据独立悬架的优点和缺点可以进行判断，独立悬架广泛适用于小型乘用车，基本所有小型乘用车的前悬架都使用麦弗逊悬架，而部分小型乘用车的后悬架也使用麦弗逊悬架。由表2.1可知，2019款铃木北斗星微型汽车前悬架选用的是独立悬架。由于2019款铃木北极星微型轿车属于小型乘用车，非独立悬架向独立悬架发展：小型乘用车辆的主要用途是接送人员，应首先考虑乘客乘坐的舒适性，汽车行驶的稳定性，然后再考虑生产成本和耐用程度使用寿命等问题，因此应该选用独立悬架。2.2独立悬架类型选型分析2.2.1独立悬架选型要求通过上一节的分析可知，2019款铃木北斗星微型汽车悬架系统采用了独立悬架。但是独立悬架也有多种类型，不同种类的车型可以根据实际使用情况，选用不同类型的独立悬架。独立悬架类型的选取一般从以下几个角度进行考虑：1.侧倾中心高度如果侧倾中心高度过低，汽车转向时侧倾角度会过大，汽车容易发生侧翻危险。而如果侧倾中心高度过高，汽车转向时轮胎的损耗程度将会加快。因此侧倾中心高度过低或过高都是不利的，要在合理的范围内进行选择。2.车轮定位参数汽车行驶过程中，由于受到各种力和力矩的作用，车轮定位参数会随着路况的不同随时变化。如果车轮定位参数变化过大，势必会对车身结构稳定性，汽车行驶平顺性和乘客乘坐舒适性造成影响。因此为了汽车正常行驶，要尽量减小车轮定位参数的变化量。3.悬架侧倾角刚度汽车转向时车身与悬架都会产生侧倾，但是侧倾角度是不同的，即车身与悬架会产生相对运动。为了保证车身结构稳定和汽车行驶平顺性，要保证悬架侧倾角的刚度足够大。4.横向刚度如果悬架横向刚度过小，汽车悬架在受力时容易产生破坏。而如果悬架横向刚度过大，则不利于产生形变以吸收振动能量。因此悬架横向高度过低和过高都是不利的，要在合理的范围内进行选择。乘用车前悬架一般采用麦弗逊式独立悬架或者双横臂式独立悬架，而其他几种悬架类型多用于后悬架，下面针对麦弗逊式独立悬架和双横臂式独立悬架结构特点进行选型分析。2.2.2麦弗逊悬架结构特点及优缺点分析麦弗逊式悬架的结构如图2.2所示，其主要结构由螺旋弹簧加上减震器以及A字下摆臂组成，减震器可以避免螺旋弹簧受力时向前、后、左、右偏移，限制弹簧只能做上下方向的振动，并且可以通过对减震器的行程、阻尼以及搭配不同硬度的螺旋弹簧对悬架性能进行调校。麦弗逊悬架最大的特点就是体积比较小，有利于对比较紧凑的发动机舱布局。不过也正是由于结构简单，对侧向不能提供足够的支撑力度，因此有以下两个缺点。第一个缺点是当汽车转向是车身会明显左右摆动，第二个缺点是当汽车制动时车内乘客头部会由于惯性作用向前点头。当然，这两个问题可以通过悬架调教来解决，只不过要牺牲悬架舒适性为代价。简单来说，由于减震系统还负责了车辆底盘支撑等职责，要想做到鱼和熊掌（舒适性和操控性）兼得，在麦弗逊这确实有点为难它了[12]。图2.2麦弗逊式悬架结构图2.2.3双横臂式悬架结构及优缺点分析双横臂式独立悬架的结构如图2.3所示。双叉臂悬挂拥有上下两个叉臂，横向力由两个叉臂吸收，中间的减震支柱只承载车身重量，因此各行其职的特点让其悬架系统更为复杂，同时也更为高效。一般对于采用双叉臂的前悬架来说，上下不等长叉臂(上短下长)让车轮在上下运动时能自动改变外倾角，不仅减小轮距变化、减小轮胎磨损，同时相较于麦弗逊，轮胎的接地面积会更大，稳定性更好。另外在转弯时，上下两个叉臂能同时吸收轮胎所受的横向力，加上两叉臂的横向刚度较大，所以转弯的侧倾较小。这时，底盘工程师能相对轻松地根据车型定位来调整减震的特性，来保证舒适性。总结来说，双叉臂既能有稳定的操控性，同时悬架遇到沟沟坎坎时，由于减震系统不负责支撑车辆，所以舒适性还可以得到保证。图2.3双叉臂式悬架结构图由表2.1可知，2019款铃木北斗星微型汽车前悬架选用的是麦弗逊式独立悬架。由于2019款铃木北极星微型轿车属于小型乘用车，首先要保证汽车悬架体积小，结构简单，成本低廉，然后再考虑操纵稳定性的问题，因此前悬架选用独立悬架设计方案是合理的。2.3麦弗逊悬架的创新在上一节中已经分析明确了麦弗逊悬架最大的特点就是体积比较小，有利于对比较紧凑的发动机舱布局。不过也正是由于结构简单，对侧向不能提供足够的支撑力度，因此有以下两个缺点。第一个缺点是当汽车转向是车身会明显左右摆动，第二个缺点是当汽车制动时车内乘客头部会由于惯性作用向前点头。由于本次设计的车型是2019款铃木北斗星微型汽车，该车型的特点是车身尺寸小，价格低廉。为了在保证不增加车身尺寸和生产成本的基础上增加该车的侧向支撑力度，提高操作稳定性和乘坐舒适性，我在该车型的传统麦弗逊悬架基础上进行了改进创新，设计了新型的麦弗逊悬架：在传统麦弗逊式悬架的基础上强化控制臂，增加的控制臂通过连接减震器和副车架来强化对车身的控制，其大概的结构如图2.4所示，和麦弗逊式的三脚架控制臂不同的地方在于它多了一根杆子。图2.4新型麦弗逊悬架实际上上面新添的这个杆子原本的意图是想做成叉臂的，不过设计成叉臂还要再多一根杆子和一个支撑件，相对比较麻烦，会增加悬架体积和制造成本，为了省事干脆直接加了一根杆子，所以这个强化的新型悬架实际上就是传统的麦弗逊悬架与单连杆式悬架结合到了一起，在汽车驾驶稳定性与乘客乘坐舒适性上大大超越了原来的悬架。经过改进创新之后的新型麦弗逊悬架会在原有麦弗逊悬架的优点上，新增以下优点：横向刚度大：由于新增加了一根横向连接杆，大大增加了麦弗逊悬架的横向刚度。坚固的前悬架在乘坐舒适性和路面响应能力上达成了完美平衡。前悬架通过加强弹簧刚性系数而得以进一步优化，提升了侧倾控制与转向操控。3麦弗逊悬架主要参数设计及建模3.1悬架的弹性特性设计如果汽车在行驶过程中受到垂直外力的作用，汽车悬架的弹性元件将会产生形变以吸收振动能量，因此车身高度也会产生变化。根据垂直外力和车身高度的变化量可以得到悬架弹性特性曲线，如图3.1所示，该曲线的斜率大小就是汽车悬架的刚度。通过分析悬架弹性特性曲线可以得知，在0-1，1-2，2-7几个阶段，该图像都是一条直线，说明在这几个阶段悬架弹性都是呈线性变化的，汽车悬架的刚度保持不变，即汽车在行驶过程中受到垂直外力与车身高度的变化量成正比例关系。而在点7之后的阶段呈一条斜率越来越大的曲线，说明在这一阶段悬架弹性是呈非线性变化的，汽车悬架的刚度也越来越大，即汽车在行驶过程中受到垂直外力增加很多，身高度的变化量增加的却很小，最后趋近于零。在这个时候悬架处于最大压缩量或者最大伸长量，车身高度达到最高或最低状态，不在受垂直外力的影响。图3.1悬架弹性特性曲线3.2悬架挠度fc的设计3.2.1悬架静挠度fc的设计悬架的静挠度fc是指汽车在满载静止时悬架上的载荷Fw与此时悬架刚度c之比，即是fc=Fw/c[2]。查阅资料可知，汽车前部分车身的固有频率N(偏频)可用下式表示(3.1)式中，c为悬架刚度(N/cm);m为悬架簧上质量（kg）。麦弗逊悬架采用螺旋弹簧作为弹性元件，悬架静挠度可用下式表示：(3.2)式中，g为重力加速度，g=981cm/s2.。将fc代入式（3.1）得到：(3.3)根据式（3.3）可以得到这个结论：根据悬架的静挠度fc的大小可以确定车身振动的偏频N。所以，为了保证汽车行驶过程中的车身稳定性，行驶平顺性和乘客乘坐舒适性，要合理的选用悬架静挠度fc的取值大小。根据汽车的功能不同，对汽车行驶平顺性和乘客乘坐舒适性的要求也是不一样的。例如小型乘用车辆的主要功能是接送人，所以必须要保证汽车行驶平顺性和乘客乘坐舒适性的水平都是较高的。而商用车比如大型货车，它的主要功能是运输货物，首先要保证的是车身结构稳定，因此保证汽车悬架不易受到损坏，使用寿命长是第一位的，而对汽车行驶平顺性和乘客乘坐舒适性的要求都是较低的。通过查阅资料可知，对于小型乘用车辆，前悬架的满载振动偏频的取值范围是0.80Hz到1.15Hz之间，并且发动机的排量越小，悬架振动偏频越大。由于本次设计的是2019款铃木北斗星微型轿车，发动机排量仅为1.4L，因此振动偏频应在0.08-1.15Hz的合理范围内取较大值，故取满载振动偏频为1.1Hz。选定偏频n为1.1Hz以后，即可利用式（3.3）计算出悬架的静挠度如下：==20.66cm=206.6mm3.2.2悬架动挠度fd设计悬架的动挠度fd是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形（通常指缓冲块压缩到其自由高度的1/2或2/3）时，车轮中心相对车架（或车身）的垂直位移。当汽车在颠簸路面上行驶时，为了要保证车身结构的稳定性，汽车行驶平顺性和乘客乘坐舒适性，汽车悬架应选用较大的动挠度。小型乘用车辆悬架动挠度fd取值范围在7cm到9cm之间；大中型客车悬架动挠度fd取值范围在fd取5cm到8cm之间；货车悬架动挠度fd取值范围在fd取6cm到9cm之间。由于2019款铃木北斗星微型汽车属于小型乘用车型，所以取悬架动挠度fd为80mm。3.3悬架弹性元件设计3.3.1螺旋弹簧分析在汽车刚被发明创造的时候，汽车悬架普遍采用钢板弹簧。然而随着机械加工制造工艺水平的发展，人们发现同叶片式的钢板弹簧相比，可伸缩的螺旋弹簧对震动能量的吸收性能更好，因此螺旋弹簧比叶片弹簧减震性能更好，人们乘坐时更加舒适，汽车行驶起来也更加平顺。1930年以后，新型的螺旋弹簧逐渐取代了老式的叶片弹簧。本次设计的2019款铃木北斗星微型轿车悬架也是采用螺旋弹簧作为弹性元件。3.3.2螺旋弹簧的材料及许用应力选择为了保证汽车的正常行驶，不会发生危险，汽车悬架的螺旋弹簧应满足以下几个要求：螺旋弹簧应该有一定的弹性形变量，如果螺旋弹簧弹性形变量过小，无法起到缓冲汽车上下振动的作用。螺旋弹簧应该有一定的疲劳极限，如果螺旋弹簧疲劳极限过小，会缩短使用寿命。螺旋弹簧应具有足够的韧性和塑性，如果螺旋弹簧韧性和塑性较小，在汽车行驶过程中容易损坏，造成事故。螺旋弹簧应具有良好的可热处理性，易于生产制造，可以大批量加工。根据以上对螺旋弹簧要求的分析，选60Si2MnA作为螺旋弹簧的材料，60Si2MnA的性能参数如表3.1所示：表3.160Si2MnA性能参数性能参数数据许用切应力[]64剪切应力[]100剪切模量G8000弹性模量E20000MP3.3.3弹簧参数的计算选择根据下面公式可以计算出前悬架的刚度：⇒(3.4)式中Cs汽车前悬架刚度，N/mmMs汽车前悬架簧上质量，kgN汽车前悬架偏频，Hz3.6.4计算空载刚度由表2.1可知空车质量为900kg，取簧上质量为800kg，簧下质量为100kg，空载前轴单轮轴荷取60%，可得汽车前悬架簧上质量为：由于N取值为1.1Hz以上数据代入公式3.4，可得如下数据：=4×1.12×3.142×240=11452.9N/m3.3.5计算满载刚度由表2.1可知满载质量为1250kg，取簧上质量为1150kg，簧下质量为100kg，满载前轴单轮轴荷取50%，可得汽车前悬架簧上质量为：由于N=1.1Hz以上数据代入公式3.4，可得如下数据：=×1.12×3.142×287.5=13719.6N/m3.3.6按满载计算弹簧钢丝直径根据下面的公式可以计算弹簧钢丝直径：⇒(3.5)式中i弹簧有效工作圈数，取i=8G弹簧材料的剪切弹性摸量，取8.3×104MPaDm弹簧中径，取100mm带入计算得：d=10.1mm查表可取近似的标准值d=12mm故可以初步确定下列参数：d=12mm（弹簧丝直径）Dm=100mm（弹簧中径）i=8（弹簧圈数）3.3.7螺旋弹簧校核1弹簧刚度校核弹簧刚度的计算公式为：(3.6)代入数据计算可得弹簧刚度Cs为：=8.3×104×124/8×1003×8=26.9N/mm>18.6N/mm所以弹簧选择符合刚度要求。2弹簧表面剪切应力校核弹簧钢丝表面的剪应力为：=(3.7)式中C弹簧指数（旋绕比），C=Dm/d；K’曲度系数，为考虑簧圈曲率对强度影响的系数，（3.8）P弹簧轴向载荷。已知：Dm=100mm,d=12mm,可以算出弹簧指数C和曲度系数K’：=100/12=8.33=（4×8.33-1）/(4×8.33-4）+0.615/8.33=1.17=1/2×1150×9.8×cos10=5549.4N则弹簧表面的剪切应力为：==8×5549.4×100×1.17/3.14×122=957.3MP＞=640MP不满足弹簧满足要求，另取d=14mm，重新进行校核。1弹簧刚度校核代入数据计算可得弹簧刚度Cs为：=8.3×104×144/8×1003×8=49.82N/mm>18.6N/mm所以弹簧选择符合刚度要求。2弹簧表面剪切应力校核已知：Dm=100mm，d=14mm可以算出弹簧指数C和曲度系数K’：=100/14=7.14=（4×7.14-1）/(4×7.14-4）+0.615/7.14=1.20=8×5549.4×1.17/3.14×122=5549.4N则弹簧表面的剪切应力为：==8×5549.4×1.17/3.14×122=618MP<=640MP所以弹簧满足要求。3.3.8小结综合上面的计算可以最终选定弹簧的参数为：弹簧钢丝直径d=14mm，弹簧外径D=100mm，弹簧有效工作圈数n=8。F最大变形量=pdmax/cs=155.9mmt节距=d+F/i+б=34.9mmh自由高度=it+1.5d=300.2mm,取300mm弹簧整体参数列表及建模如下：表3.2弹簧参数表弹簧参数名称数据（mm）弹簧丝直径14弹簧中经100工作圈数8最大变形量155.9节距34.9自由高度3003.3.9螺旋弹簧建模过程首先打开catia软件，依次点击开始——机械设计——线框和曲面设计，进入曲面设计板块。根据表3.2弹簧参数表的数据，绘制如图3.2所示的螺旋弹簧横截面轮廓草图[4]。图3.2螺旋弹簧横截面轮廓草图然后依次点击开始——机械设计——线框和曲面设计，进入曲面设计板块。根据表3.2弹簧参数表的数据，绘制如图3.3所示的螺旋线。图3.3螺旋弹簧中心线然后依次点击开始——机械设计——零件设计，回到零件设计板块。点击右侧工具栏的肋功能，分别以图3.2为轮廓，以图3.3为中心曲线，绘制如图3.4所示的肋。图3.4螺旋弹簧肋然后修整螺旋弹簧两端的端面，建立如图3.5所示的两个凹槽将螺旋弹簧两端多余部分削平。图3.5修整螺旋弹簧两端最后隐藏平面和草图中的线条，得到螺旋弹簧三维模型，如图3.6所示。图3.6螺旋弹簧三维模型3.4导向机构设计3.4.1导向机构的设计要求汽车悬架导向机构就是用来传递力和力矩的摆臂或杆件，麦弗逊悬架的导向机构通常设计成A型下摆臂结构。设计汽车悬架导向机构首先要明确导向机构的设计要求，为了满足汽车悬架工作正常，汽车悬架导向机构需要满足以下条件：汽车载荷发生变化时，汽车轮距发生的距离变化应在很小的范围之内，否则会影响轮胎使用寿命。汽车载荷发生变化时，汽车车轮定位参数不能发生过大变化，否则会对车身结构稳定性，汽车行驶平稳性和乘客乘坐舒适性造成影响。汽车转向时，车身侧倾角不能过大，否则容易发生侧翻造成事故。汽车刹车减速时，导向机构要有克服车身由于惯性继续向前运动的能力。而当汽车加速时，导向机构要有克服车身由于惯性保持原运动状态的能力。导向机构要具有一定的韧性和刚度，如果导向机构韧性和刚度较小，在汽车行驶过程中容易损坏，造成事故。3.4.2导向机构的布置参数为了保证汽车行驶的平顺性和乘客乘坐的舒适性，应该选择合理的导向机构布置参数，这个参数分别是侧倾中心、纵倾中心、悬架摆臂的定位角[14]。1.侧倾中心麦弗逊式独立悬架的侧倾中心高度可由图3.7所示测量得出。EG为悬架减震器，GD为悬架下横臂。以E为起点作EG的垂线，与GD的延长线交于P点。然后连接NP，再在汽车宽度中心处做垂线，与NP交于W点，点W的高度hW即为侧倾中心高度。图3.7普通规格的麦弗逊式悬架的尺寸图3.8侧倾中心示意图建立catia三维模型后通过投影可得如图3.8所示的二维图纸。由表2.1可知车身宽度为1575mm，半个车身宽度为787.5mm，测出的侧倾中心为180mm，符合要求。2.纵倾中心麦弗逊式悬架的纵倾中心，可由正点作减振器运动方向的垂直线，该垂直线与过G点的摆臂轴平行线的交点即为纵倾中心O，如图3.9所示。图3.9麦弗逊式悬架的纵倾中心示意图图3.10侧倾中心建立catia三维模型后通过投影可得如图3.10所示的二维图纸。测得图3.10中侧倾中心为250mm，符合要求。3.悬架摆臂的定位角悬架摆臂由以下三个角度进行定位，如图3.11所示。图3.11α、β、θ的定义3.4.3导向机构建模首先打开catia软件，依次点击开始——机械设计——零件设计，进入零件设计板块。取导向机构的整体长度为200mm，宽度为180mm，厚度为5mm，建立如图3.12所示的导向机构基体。图3.12导向机构基体然后画出导向机构与车架定位销之间进行连接的2个销孔，销孔内径10mm，外径20mm，长度30mm，如图3.13所示。图3.13车架定位销销孔然后画出导向机构与转向节球头销进行连接的销孔，销孔内径10mm，长度5mm，如图3.14所示。图3.14转向架球头销销孔最后对导向机构进行倒圆角修饰，得到导向机构建模如图3.15所示：图3.15导向机构三维建模3.5减振器的设计3.5.1减振器的简单分类麦弗逊悬架使用的减震器是液力减震器，他可以利用减振器内的液体吸收振动的能量，使汽车车架在短时间能停止上下振动。如果减振器只在车架向上振动或者向下振动的过程中吸收振动能量，这样的减振器就是单向作用式减振器。如果减振器在车架向上振动或者向下振动的过程都能中吸收振动能量，这样的减振器就是双向作用式减振器。由此可见，双向作用式减振器的减震效果要比单向作用式减振器要好，因此本次2019款铃木北斗星微型轿车悬架减振器选用双向作用式减振器。根据减振器的内部构造不同，减振器还分为摇臂式和桶式两种类型，它们的优缺点如下：摇臂式减振器优点：可以在高压下工作摇臂式减振器缺点：零件损耗严重，使用寿命短，工作不稳定筒式减振器优点：零件损耗小，使用寿命长，结实耐用筒式减振器缺点：工作压力小，不能适应高压下工作由于本次2019款铃木北极星微型轿车车身质量小，悬架减振器的工作压力也较小，因此选用筒式减振器，即可满足工作需要，筒式减振器的构造如图3.16所示。图3.16筒式减振器构造3.5.2相对阻尼系数ψ相对阻尼系数ψ越大，振动减弱能力就越强，即车身上下振动停止的就越快，但是车身受到的作用力也越大。如果相对阻尼系数ψ选取过大，车身结构容易受到损坏，汽车行驶平顺性和乘客乘坐舒适性也得不到保证。如果相对阻尼系数ψ选取过小，则不能使车身迅速停止上下振动。因此该系数的选取要在合理的范围之内[5]。双向左右式减振器可以分为压缩和伸张两个行程，一般情况下压缩行程时的相对阻尼系数ψy要比伸张行程时的相对阻尼系数ψs小一些，它们的大小应该符合ψy=（0.25～0.50）ψs，在本次设计中取ψy=0.5ψs。查阅资料可知，液力减振器的相对阻尼系数取ψ=0.25～0.35，本次设计取ψ=0.3，则有：（ψs+0.5ψs）/2=0.3计算可得到：伸张行程时的系数ψs=0.4，压缩行程时的系数ψy=0.2。3.5.3减振器阻尼系数δ的确定根据图3.16的安装形式，则其阻尼系数δ可根据下式进行计算：(3.9)图3.16减振器位置图根据公式，可得出：=2πn(3.10)代入数据得：μ=6.908Hz，取a/b=0.8,α取100代入数据得减振器的阻力系数为：=1919.5N·s/m。3.5.4减振器工作缸直径D的确定根据伸张行程的最大卸荷力F0计算工作缸直径D为：(3.11)其中，[P]——工作缸最大压力，一般情况下该值在3MP到4MP之间，取[p]=3MP；λ——连杆直径与工作缸直径比值，取λ=0.4。——。式中，冲击载荷系数c取1.5；V取0.3m/s，代入数据可得最大卸荷力为：Fo=1.5×1919.5×0.3=863.8N代入计算得工作缸直径D为：D=20.9mm减振器的工作缸直径D一般为从20mm到60mm之间的10mm的倍数[7]。选取时按照标准选用，故这里选择D为30mm，查表可得活塞形程S=240mm，基长L=110mm，则有如下数据：Lmin=L+S=350mm（压缩到底的长度）Lmax=Lmin+S=590（拉足的长度）取储油缸直径Dc=44mm，壁厚取2mm。3.5.5小结减振器主要参数名称列表如下：表3.3减振器参数减振器参数名称数据mm工作缸直径30主油缸直径44最大压缩长度350拉足长度590主油缸壁厚23.5.6减振器建模首先打开catia软件，依次点击开始——机械设计——零件设计，进入零件设计板块。由表3.3可知，减振器主油缸直径为44mm，壁厚为2mm，取主油缸长度为200mm，绘制减震器主油缸如图3.17所示。图3.17减振器主油缸由表3.3可知，最大压缩长度350mm，拉足长度590mm，取活塞杆直径为16mm，长度为300mm，绘制活塞杆如图3.18所示。图3.18减振器活塞杆取螺旋弹簧卡盘直径为120mm，厚度为1mm，两卡盘间距为300mm，绘制螺旋弹簧卡盘如图3.19所示。图3.19减振器螺旋弹簧卡盘绘制横向稳定器销孔，销控直径10mm，厚度10mm，如图所示。图3.20减振器横向稳定器销孔最后对减震器进行倒圆角修饰，得到减震器的三维模型如图所示。图3.21减振器三维模型3.6横向稳定器3.6.1横向稳定器介绍横向稳定器又叫横向稳定杆，从外形上看是一根突出的扭杆。横向稳定器的中间部分从车架底部的孔中穿过，而横向稳定杆的两端分别与减振器推力杆相连接。当汽车在颠簸路面上行驶时，如果左右两侧悬架发生同步振动，横向稳定杆不工作。但是如果只有汽车一侧悬架发生振动，或者左右两侧悬架振动不同步时，横向稳定杆就会发生扭转，仿真汽车发生侧倾。3.6.2横向稳定器建模首先打开catia软件，依次点击开始——机械设计——零件设计，进入零件设计板块，绘横向稳定器中心线如图3.22所示。图3.22横向稳定器中心线取横向稳定器横截面圆直径为20mm，绘制如图3.23所示的横截面轮廓。图3.23横向稳定器轮廓最后以图为中心曲线，以图为轮廓，生成肋，建立横向稳定器模型如图3.24所示。图3.24横向稳定器三维建模3.7推力杆3.7.1推力杆介绍在前面的说明中已经介绍了减振器与横向稳定器，为了将他们连接起来，就需要用到推力杆。推力杆不仅要起到连接振器与横向稳定器的作用，还要传递它们之间的力和力矩，对推力杆的设计有如下要求：1.推力杆要具有一定的韧性和刚度，如果推力杆韧性和刚度较小，在汽车行驶过程中容易损坏，造成事故。2.推力杆的长度应该是可调节的，以便随时修整悬架定位角度参数。3.推力杆的两端要有与接振器和横向稳定器连接的接头，该接头应牢固耐用。3.7.2推力杆建模首先打开catia软件，依次点击开始——机械设计——零件设计，进入零件设计板块，取推力杆的内径为16mm，外径为20mm，长度为280mm，绘制推力杆钢管如图3.25所示。图3.25推力杆钢管然后绘制推力杆两端接头，取接头外径20mm，内径10mm，长度10mm，得到推力杆接头如图3.26所示。图3.26推力杆两端接头最后对推力杆进行倒圆角修饰，得到推力杆的三维模型如图3.27所示。图3.27推力杆三维模型4前轮定位参数设计了麦弗逊悬架主要零件之后就要设计悬架的前轮定位参数，它们对汽车的操纵性能和直线行驶性能以及轮胎磨损等都有很大影响。4.1主销后倾角为了方便汽车转向之后前轮自动回到原来的位置，汽车主销与路面并不是垂直设计的，需要向后倾斜一定角度，叫做主销后倾角，如图4.1所示。图4.1主销后倾角示意图如果增大主销后倾角的倾斜度，前轮就越容易回到原来的位置，但会使驾驶员操作方向盘时更加费力。反之如果减小主销后倾角的倾斜度，驾驶员操作方向盘就轻松很多，但是此时车轮不容易回到原来的位置，甚至会由于转向过轻产生晃动，影响操作稳定性。如果汽车左右两侧悬架的主销后倾角不相等，汽车转向时将会发生偏移，影响汽车正常行驶。因此汽车悬架主销后倾角的取值要在合理的范围之内，并且要保证汽车左右两侧悬架的主销后倾角相等。通过查阅资料可知汽车主销后倾角一般不超过30，所以本次设计的2019款北斗星微型汽车悬架主销后倾角选择1°，如图4.2所示，符合设计要求。图4.2主销后倾角4.2主销内倾角为了方便汽车转向之后方向盘自动回到原来的位置，汽车主销与路面并不是垂直设计的，还需要向内倾斜一定角度，叫做主销内倾角，如图4.3所示。图4.3主销内倾角示意图如果主销内倾角越大，方向盘就越容易回到原来的位置，但是轮胎的使用寿命也会大大缩减。反之如果主销内倾角越小，轮胎的使用寿命会增加，但方向盘不容易回到原来的位置。如果汽车左右两侧悬架的主销内倾角不相等，汽车转向时将会发生偏移，影响汽车正常行驶。因此汽车悬架主销内倾角的取值要在合理的范围之内，并且要保证汽车左右两侧悬架的主销内倾角相等。通过查阅资料可知汽车主销内倾角一般为5°到9°，所以本次设计的2019款北斗星微型汽车悬架主销后倾角选择8°，如图4.4所示，符合设计要求。图4.4主销内倾角4.3前轮外倾角为了纠正汽车前进过程中的方向误差，让汽前轮能够自己回到中间向前的方向的位置，汽车前轮与路面并不是垂直的，还需要向外倾斜一定角度，叫做前轮外倾角，如图4.5所示。图4.5前轮外倾角示意图如果前轮外倾角越大，前轮方向越容易回到原来的位置，但是轮胎的使用寿命也会大大缩减。反之如果前轮外倾角越小，轮胎的使用寿命会增加，但前轮方向不容易回到原来的位置。如果汽车左右两侧悬架的前轮外倾角不相等，汽车转向时将会发生偏移，影响汽车正常行驶。因此汽车悬架前轮外倾角的取值要在合理的范围之内，并且要保证汽车左右两侧悬架的前轮外倾角相等。通过查阅资料可知汽车前轮外倾角一般为1°左右，所以本次设计的2019款北斗星微型汽车悬架前轮外倾角选择1°，如图4.6所示，符合设计要求。图4.6前轮外倾角4.4前轮前束为了修正上述前轮外倾角引起的车轮向外侧转动，汽车前轮不仅需要向外倾斜一定角度，还需要装配成内八字，叫做前轮前束，如图4.7所示。图4.7前轮前束示意图如果前轮前束的尺寸选取越大，修正的车轮向外侧转动幅度也越大，但轮胎的使用寿命也会大大缩减。反之如果前轮外倾角越小，轮胎的使用寿命会增加，但不容易修正车轮向外侧转动的幅度。如果汽车左右两侧悬架的前轮前束不相等，汽车转向时将会发生偏移，影响汽车正常行驶。因此汽车悬架前轮前束的取值要在合理的范围之内，通过查阅资料可知汽车前轮前束一般为不超过8mm，所以本次设计的2019款北斗星微型汽车悬架前轮外倾角选择8mm，如图4.6所示，符合设计要求。图4.8前轮前束5麦弗逊悬架其他零件基于CATIA的建模5.1车轮的建模本次毕业设计车轮尺寸按实际北斗星2019款车轮尺寸为205/60R16建模：表5.1车轮主要参数参数名称数据（mm）轮宽公称尺寸205胎高公称尺寸123车轮内径406.4根据表5.1车轮参数数据，我设计的车轮模型如图5.1所示。车轮内径为406.4mm，外径为529.4mm，宽度为205mm，轮胎表面有子午线花纹，轮辋与轮毂之间由8条轮辐支撑，轮毂上钻有4个直径为10mm的螺纹孔，通过螺栓与车轮轴承进行连接。图5.1车轮建模5.2车轮轴承建模根据车轮轮毂的尺寸，我设计的车轮轴承模型如图5.2所示。轴承内径为40mm，外径为60mm，高度为50mm，法兰盘外径为80mm，厚度为10mm，法兰盘上钻有4个直径为10mm的螺纹孔。轴承内部与转向节轴进行装配，法兰盘上的四个螺纹孔通过螺栓连接与轮毂进行装配。图5.2车轮轴承建模5.3转向节建模根据车轮轴承内径的尺寸，我设计的转向节模型如图5.3所示。转向节基面圆直径为140mm，厚度为10mm，转向节轴直径为40mm，长度为130mm，所有螺纹孔和销孔直径均为10mm，转向节下臂球头销直径为10mm。转向节上臂通过螺栓连接与减振器进行装配，下臂通过球头销与悬架导向机构进行装配，侧臂通过销与转向拉杆进行装配，转向节轴与车轮轴承进行装配，凹陷的部分通过螺栓连接与盘式制动器进行装配。图5.3转向节建模5.4减振器与转向节连接件建模根据减振器下部圆柱和转向节上臂的尺寸，我设计的减振器与转向节连接件模型如图5.4所示。该连接件由圆环和耳朵两部分组成，圆环部分内径为30mm，外径为40mm，长度为50mm；耳朵部分长度为70mm，宽度为30mm，厚度为5mm，上面钻有3个直径为10mm螺孔。该连接件圆环部分与减振器底部圆柱装配，耳朵部分通过螺栓连接与转向节上臂装配。图5.4连接件建模5.5车架和横向稳定器联合建模根据车身的尺寸，我设计的车架和横向稳定器联合模型如图5.5所示。车架长为350mm，宽为600mm，高度为50mm，横向稳定杆长度为800mm，直径为10mm。车架左右两侧凹陷部分有直径为10mm销孔，通过定位销与悬架下摆臂连接。车架头部凸出部分钻有直径为10mm孔，横向稳定杆从孔中穿出。图5.5车架横向稳定器联合建模5.6新增控制臂建模根据减振器与转向节连接件下部销孔与车架定位销之间的距离，以及定位销的直径尺寸，我设计的新增控制臂模型如图5.5所示。该新增控制臂直径为20mm，直径为260mm，两端销孔内径为10mm，外径为20mm，长度为20mm。该新增控制臂一侧销孔与减振器与转向节连接件下部销孔进行装配，另一侧销孔与车架上定位销进行装配。图5.6新增控制臂模型5.6麦弗逊悬架建模装配图根据上一章中设计的前轮定位参数将以上所有零件进行装配，得到麦弗逊悬架总成模型如图5.6所示。该模型在传统麦弗逊式悬架的基础上强化控制臂，增加的控制臂通过连接减震器和副车架来强化对车身的控制，和麦弗逊式的三脚架控制臂不同的地方在于它多了一根杆子（红色部分）。这个强化的新型悬架实际上就是传统的麦弗逊悬架与单连杆式悬架结合到了一起，在汽车驾驶稳定性与乘客乘坐舒适性上大大超越了原来的悬架。经过改进创新之后的新型麦弗逊悬架会在原有麦弗逊悬架的优点上，新增以下优点：横向刚度大：由于新增加了一根横向连接杆，大大增加了麦弗逊悬架的横向刚度。坚固的前悬架在乘坐舒适性和路面响应能力上达成了完美平衡。前悬架通过加强弹簧刚性系数而得以进一步优化，提升了侧倾控制与转向操控。图5.6.麦弗逊悬架建模总成

6麦弗逊悬架有限元分析建立完新型的麦弗逊悬架catia模型之后，为了更好